前置客車傳動軸中間連接結(jié)構(gòu)輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)

陳 嘯

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026)

汽車傳動系統(tǒng)中傳動軸的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速和少支撐點(diǎn)，在其高速旋轉(zhuǎn)過程中傳動軸自身的轉(zhuǎn)動慣量對整車傳動效率及振動水平都有較大影響，而質(zhì)量是決定轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)鍵因素之一。通常，相同型式的傳動軸，許用剩余不平衡量與傳動軸的質(zhì)量成比例[1]。所以，傳動軸的輕量化設(shè)計(jì)是降低傳動軸轉(zhuǎn)動慣量和剩余不平衡量的有效手段之一[2]。

1 前置客車多節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

前置客車由于變速器輸出法蘭到后橋主減速器輸入法蘭的距離較大，所以往往采用兩節(jié)或三節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動力傳遞[3]。由于汽車行駛時(shí)，變速器與驅(qū)動橋的相對位置時(shí)刻在發(fā)生變化，與之相連的傳動軸的角度和長度也時(shí)刻在發(fā)生變化，所以傳動軸總成由一節(jié)或兩節(jié)帶有中間支撐的前傳動軸和一節(jié)帶有可伸縮滑動花鍵結(jié)構(gòu)的后傳動軸組成[4-5]，傳統(tǒng)多節(jié)傳動軸之間的互相連接是通過一對中間連接凸緣來實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。由于凸緣叉、萬向節(jié)叉和中間連接凸緣采用的制造工藝為鑄造，與軸管、萬向節(jié)等零部件相比，質(zhì)量分布不均較為嚴(yán)重，是傳動軸總成初始動不平衡量的主要來源[6]。本文主要介紹對中間連接凸緣的輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 前置客車傳動軸總成圖

傳統(tǒng)的中間連接凸緣結(jié)構(gòu)為：前一節(jié)傳動軸上的輸出端凸緣和連接在后一節(jié)傳動軸十字軸上的輸入端凸緣通過一對相互之間為間隙配合的止口進(jìn)行定位后，再用螺栓連接的方式來實(shí)現(xiàn)前后凸緣之間的連接[7]，如圖2(a)所示。由于輸出端凸緣和輸入端凸緣采用的是鑄造工藝生產(chǎn)，不可避免地存在有夾渣、氣孔等缺陷，導(dǎo)致零件的質(zhì)量分布不均。為了降低初始動不平衡量和自身重量，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少鑄造零件的使用，故需要設(shè)計(jì)一種新型的多節(jié)傳動軸之間的連接結(jié)構(gòu)。

為了減少多節(jié)傳動軸中間連接凸緣結(jié)構(gòu)中的鑄件數(shù)量，取消了連接用的中間凸緣，改為通過質(zhì)量較輕的中間連接叉結(jié)構(gòu)和中間滑動花鍵副結(jié)構(gòu)連接，如圖2(b)所示。中間連接叉通過滑動花鍵連接在前一節(jié)傳動軸的軸管上，同時(shí)通過連接叉結(jié)構(gòu)連接到后一節(jié)傳動軸的十字軸上，從而由一個(gè)中間連接叉零件取代了原來的輸出端凸緣和輸入端凸緣兩個(gè)零件，同時(shí)節(jié)省了中間凸緣螺栓連接用的螺栓、螺母、重型彈墊等，實(shí)現(xiàn)了減少零件數(shù)量、降低自重以及節(jié)省生產(chǎn)工時(shí)的效果。

對比原多節(jié)傳動軸的連接結(jié)構(gòu)，采用輕量化連接結(jié)構(gòu)后每個(gè)連接處可比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低自重1.6 kg，如采用三節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)，則中間連接結(jié)構(gòu)可減重3.2 kg。

2 輕量化連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及驗(yàn)證

2.1 優(yōu)缺點(diǎn)對比

新型的輕量化連接結(jié)構(gòu)在減重方面具有一定的優(yōu)勢，但在維修便利性等方面也存在一定的劣勢。新老兩種連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

采用傳統(tǒng)的中間連接結(jié)構(gòu)時(shí)，傳動軸只需按從前到后的順序依次裝配到整車上即可；采用輕量化連接結(jié)構(gòu)后，由于其中間連接結(jié)構(gòu)拆裝較為復(fù)雜，故需調(diào)整傳動軸的裝配工序，將前后兩節(jié)(或三節(jié))傳動軸在整車裝配前先裝配連接為整體后，用整體傳動軸總成做動平衡試驗(yàn)，再將整體傳動軸總成裝配到整車上。另外，由于輕量化連接結(jié)構(gòu)的傳動軸總成是整體做動平衡試驗(yàn)，可避免由于單節(jié)傳動軸剩余不平衡量相位分布不均，導(dǎo)致的多節(jié)傳動軸裝配連接后傳動軸總成剩余不平衡量增大的問題。

表1 兩種連接結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對比

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

原結(jié)構(gòu)傳動軸總成的額定扭矩為3 500 Nm，最小安全系數(shù)為2，所以傳動軸總成的屈服扭矩應(yīng)大于7 000 Nm。根據(jù)QC/T 29082—2019[8]中的相關(guān)要求，傳動軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的最低壽命值不低于20萬次，以及我司企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)需大于20萬次，所以要求傳動軸總成的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命需大于20萬次。將制作的輕量化連接結(jié)構(gòu)傳動軸總成兩套樣品，按照QC/T 29082—2019[8]中的相關(guān)要求，分別進(jìn)行靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為8 900 Nm屈服，軸管發(fā)生塑性變形，滿足設(shè)計(jì)要求；扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果為55萬多次，遠(yuǎn)高于企業(yè)內(nèi)部和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了通過重新設(shè)計(jì)多節(jié)傳動軸之間的連接結(jié)構(gòu)，在滿足傳動軸性能不降低的前提下，實(shí)現(xiàn)了傳動軸減重的目標(biāo)，為后續(xù)整車零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供了參考。